הטכנולוגיה שתאפשר "צילומי רנטגן" של תת-הקרקע לצורך חפירות ארכיאולוגיות

פריצת דרך טכנולוגית באוניברסיטת תל אביב מציעה מהפכה בעולם הארכיאולוגיה: הוכחת היתכנות ראשונה לאיתור חללים תת-קרקעיים בעזרת גלאים של קרינה קוסמית – מיואונים, הנוצרים כאשר הקרינה הקוסמית פוגעת באטמוספרה של כדור הארץ. המיואונים חודרים את הקרקע לפני שהם מאבדים את האנרגיה שלהם ונעצרים, ולכן גילוי שלהם יכול לשמש ארכיאולוגים למיפוי חללים סמויים כגון מנהרות ותעלות. במסגרת המחקר, צוות החוקרים הדגים את יעילות הטכנולוגיה באתר הארכיאולוגי עיר דוד בירושלים והראה כיצד המערכת הצליחה למפות חללים תת-קרקעיים דרך שינויים בחדירות הקרקע לחלקיקי הקרינה הקוסמית.

המחקר נערך בהובלת פרופ' ארז עציון מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב, ופרופ' עודד ליפשיץ מהחוג לארכיאולוגיה ותרבויות המזרח הקדום באוניברסיטת תל אביב. כמו כן, השתתפו במחקר, פרופ' יובל גדות מהחוג לארכאולוגיה ותרבויות המזרח הקדום באוניברסיטת תל אביב, פרופ׳ יאן בן חמו, ד״ר איגור זולקין והדוקטורנט גלעד מזרחי, מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה, ד"ר יפתח סילבר וד"ר אמיר וייסביין מרפאל וד"ר יפתח שליו מרשות העתיקות. תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת Journal of Applied Physics.

גבינה שווייצרית מתחת לפני הסלע

"מהפירמידות במצרים, דרך ערי המאיה בדרום אמריקה וכלה באתרים העתיקים בישראל, ארכיאולוגים מתקשים למצוא חללים תת-קרקעיים", מספר פרופ' ליפשיץ. "את המבנים מעל הקרקע הארכיאולוגיה חופרת בקלות יחסית, ויש גם שיטות שונות לאתר קירות ומבנים מתחת לפני השטח. אבל אין שיטות טובות לעריכת סקרים מקיפים של חללים תת-קרקעיים – שנמצאים מתחת לסלע שעליו נמצאים האתרים הקדומים. בשפלה למשל, מתחת לשכבת סלע הגיר הקשה (סלע הנארי), נמצא הגיר הרך (הקירטון), כך שמי שחוצב וחודר את סלע הנארי מלמעלה או נכנס מתחתיו מהצד, יכול בקלות לייצר חללים גדולים מאוד לאגירת מים, לשימושים חקלאיים שונים, לאיחסון וגם למגורים. ברור לנו שמרבית האתרים הארכיאולוגיים שעל פני השטח אינם אלא גבינה שווייצרית מתחת לפני הסלע. אלא שלנו אין דרך לדעת מזה. אם במקרה חפרנו מעל הקרקע, הגענו לסלע וזיהינו כניסה לחלל, אנחנו יכולים לחפור אותו. אבל אין לנו דרך לאתר את תת-הקרקע מראש. במחקר הנוכחי אנחנו מציעים בפעם הראשונה שיטה חדשנית שהוכחה כיעילה מאוד באיתור חללים תת-קרקעיים בעזרת גלאים של קרינה קוסמית - מיואונים".

החוקרים מסבירים כי מיואון הוא חלקיק יסודי הדומה לאלקטרון, אך מסיבי פי 207 ממנו. המיואונים נוצרים באטמוספרה כאשר חלקיקים אנרגטיים, בעיקר פרוטונים, מתנגשים בגרעינים של מולקולות באוויר. ההתנגשות הזאת יוצרת חלקיקים בלתי יציבים בשם פאיונים, שדועכים מהר מאוד למיואונים. גם למיואונים תוחלת חיים קצרה מאוד, והם מתפרקים אחרי 2.2 מיקרו-שניות, אלא שהם נעים במהירות הקרובה למהירות האור – ובזמן הזה מספיקים להגיע לקרקע.

גלאים קטנים וניידים לזיהוי חללים ריקים בקרקע

"מטר המיואונים שפוגע בקרקע עושה זאת בקצב קבוע וידוע", מסביר פרופ' עציון. "להבדיל מהאלקטרונים שנעצרים בקרקע אחרי סנטימטרים בודדים, במעבר בקרקע המיואונים מאבדים אנרגיה בקצב איטי ולכן חלקם חודרים עמוק לתוך הקרקע. האנרגטיים שבהם יכולים לחדור אפילו לעומק של מאה מטרים. לכן אם נציב גלאי מיואונים מתחת לקרקע ונמדוד את הסביבה, נוכל לזהות חללים ריקים בהם איבוד האנרגיה זניח. למה הדבר דומה? לשיקוף של רנטגן: מציבים אלומת קרני X בצד אחד ומצלמה בצד השני, כדי להאיר את הגוף שרוצים לצלם – את העצמות והמפרקים וכולי, שכן אלה עוצרים את האלומה טוב יותר משומן ובשר למשל. כך המיואונים הם אלומת הרנטגן, הגלאי שלנו הוא המצלמה והמערכות התת-קרקעיות הן גוף האדם".

כאמור, החוקרים  ערכו הדגמה מרשימה במתקן חצוב בסלע, המכונה "בור ירמיהו" באתר הארכיאולוגי עיר דוד. במסגרת ההדגמה, החוקרים שילבו סריקת LiDAR ברזולוציה גבוהה של חלל הפנים עם סימולציות של שטף המיואונים ובכך הצליחו למפות אנומליות מבניות. המערכת זיהתה בהצלחה שינויים בחדירות הקרקע למיואונים, ובכך הדגימה את היתכנות השימוש בטומוגרפיית המיואונים לצורך דימות ארכיאולוגי.

התחום מתעורר מחדש

"המאמר הזה הוא אבן דרך ראשונה", אומר פרופ' ליפשיץ. "אנחנו רוצים שהצורך הארכיאולוגי ידחוף את הפיזיקאים לייצור גלאים קטנים, פשוטים, זולים, עמידים ומדויקים יותר, שגם צורכים פחות חשמל. השלב הבא יהיה לשלב את הפיזיקה והארכיאולוגיה עם בינה מלאכותית, שתדע לקחת את נתוני העתק שהגלאים ייצרו כדי לייצר תמונה תלת-ממדית של התת-קרקע. אתר המבחן שלנו יהיה תל עזקה שבמרכז השפלה, מעל לעמק האלה".

"לא מדובר בהמצאה שלנו", מוסיף פרופ' עציון. "עוד בשנות השישים השתמשו במיואונים כדי לחפש חדרים נסתרים בפירמידות במצרים, ולאחרונה התעורר התחום מחדש. החדשנות שלנו בכך שפיתחנו גלאים קטנים וניידים ולמדנו להפעיל אותם באתרים ארכיאולוגיים. הלא בכל זאת יש הבדל בין גלאי בתנאי מעבדה לגלאי שצריך להכניס אותו למערה או לחפירה כדי שימדוד את סביבתו – ופתאום צצות בעיות מעשיות של חשמל, של טמפרטורה, של לחות. טווחי הגילוי הם פונקציה של זמן המדידה,  ככל שהגלאי רחוק יותר מגיעים אליו פחות חלקיקים, אבל ריאלית אפשר לנתח תמונות ממרחק של עד 30 מטרים בזמן סביר. לכן המטרה היא הצבת מספר גלאים, או הזזת גלאי אחד ממקום למקום, כדי לדמות בתלת-ממד תת-הקרקע של אתרים שלמים. לכן אנחנו רק בתחילת הדרך. השלב הבא הוא שלב של אנליזות מתוחכמות, שיאפשרו לנו למפות את כל מה שנמצא מתחת לרגליים – עוד לפני שהמחפרון הראשון מגיע לאתר".